第二章医学信号数据采集系统设计

数字化医疗仪器第二章医学信号数据采集系统设计第一章医学信号数据采集系统学习要点一、能力培养要点1、模拟量输入通道的结构与调试能力。2、模拟量输出通道的结构与调试能力。3、数字化医疗仪器医学信号数据采集系统（基于单片机和PC机）软硬件的构成与调试能力。二、主要习题1、A/D转换器的类型、质量评价水平的技术指标和特点是什么？2、ADC0809与8031单片机的接口电路与数据采集过程？3、12位AD574与8031单片机的接口电路特点？4、积分式MC14433A/D转换器与8031单片机接口工作原理？5、并行比较式高速ADC结构有何特点？6、D/A转换器主要技术参数是什么？二、主要习题7、DAC0832与8031单片机单、双缓冲接口电路工作原理？8、DAC0832与8031的输出接口电路应用方式？9、数据采集系统的基本组成和结构工作原理？10、采样定理的基本内容是什么？数据采集系统中为何要使用采样保持器？11、简述基于单片机的数据采集系统的工作原理。12、简述基于PC机的数据采集系统的工作原理。本章内容模拟量输入通道模拟量输出通道医学信号数据采集系统计数据采集系统是医学信号数字化的基础人体的各种物理量，如生物电位、心音、体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速度等，采用各种传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送模/数转换器（A/D），变成适合于微处理机使用的数字量供系统处理。同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用数/模转换器（D/A）及适应的接口将其变换成模拟量送出，如图2-1所示。模拟量输入/输出通道示意A/D转换器及其接口统称为模拟量输入通道；D/A转换器及相应接口称为模拟量输出通道。D/A转换传感器并行接口A/D转换信号检测预处理微处理机2.1模拟量输入通道2.1.1A/D转换器概述一．概述A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电流、时间等参量,但通常情况下，模拟量是指电压参量。在A/D转换的过程中通常要完成采样、量化和编码三个步骤。A/D转换的过程采样量化编码A/D转换的过程1．采样待采样的模拟信号是连续的，可看成无限多个瞬时值组成，而A/D转换以及计算机处理需要一定的时间，不可能把每一个瞬时值都转换成数字量，必须在连续变化的模拟量上按周期取样的规律取出某一些瞬时值来代表这个模拟量，这个过程就是采样。采样器输入输出波形采样是通过采样保持电路实现的，采样器（电子模拟开关）在控制脉冲s(t)的控制下，周期性地把随时间连续变化的模拟信号f(t)转变为时间上的离散的模拟信号fs(t)。输出信号能否如实反映原始输入信号？采样得到的信号fs(t)的值和原始输入信号f(t)在相应的瞬时值相同，因此采样后的信号在量值上仍然是连续的。可以证明：当采样器的采样频率fS高于或至少等于输入信号最高频率fm的两倍时（即fS≥2fm时），采样输出信号fs(t)（采样器脉冲序列）能代表或恢复成输入模拟信号f(t)，这就是采样定理。如何知道输入信号f(t)的频率，特别是它的最高频率fm？信号“最高频率”指的是输入信号经频谱分析后得到的最高频率分量。“恢复”指的是样品序列fS(t)通过截止频率为fm的理想低通滤波器后，能得到的原始信号f(t)。在应用中，一般取采样频率fS为最高频率fm的4～8倍。简单模拟信号的频谱范围是已知的，如温度低于1Hz，声音为20Hz～20000Hz。复杂信号要用傅立叶变换算出，或用频谱分析仪测得，也可用试验的方法选取最合适的fS。2.量化所谓量化，就是以一定的量化单位把数值上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量的过程。量化相当于只取近似整数商的除法运算。量化单位用q表示，对于模拟量小于一个q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常为了减少误差采用“四舍五入”的方法使之整量化。这种量化方法的输入输出特性如图2-3所示，图中虚线表示量化单位为0时的特性，实线表示实际特性。q/2X(t)5q4q3q2qq0Y(t)q2q3q4q5qX(t)Y(t)量化装置（a）ε+q/2－q/2X(t)（b）（c）量化过程舍入误差为量化误差。以ε=x(t)-y(t)表示量化误差，量化误差有正有负（图2-3(c)）,最大为±q/2，平均误差为0。最大误差随量化单位而改变，q愈小ε也愈小。量化单位用q表示，对于模拟量小于一个q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常为了减少误差采用“四舍五入”的方法使之整量化。这种量化方法的输入输出特性如图所示，图中虚线表示量化单位为0时的特性，实线表示实际特性。3．编码编码往往涉及到A/D转换的具体应用，若考虑为双极性信号，可采用补码方式；若强化二进制数据的可靠性，可采用格雷码。二．A/D转换器的技术指标1．分辨率A/D转换器的分辨率指转换器能分辨最小的量化信号的能力。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上以输出二进制数或BCD码数的位数来表示。如ADC0809的分辨率为8位，即表示该转换器可以用28个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨率为1LSB（最低有效位值），若最大允许输入电压为10V，则可计算出它能分辨输入模拟电压的最小变化量1LSB=39.06mV。2.转换精度转换精度反映实际A/D转换器与理想A/D转换器量化值上的差。用绝对或相对误差来表示（1）绝对精度指的是在A/D输出端产生给定的数字代码，实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差（中间模拟值）。（2）相对精度指的是A/D满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。3．转换速率转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可以表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，某A/D转换器的转换速率为5KHz，则其转换时间是200s。例题某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s（秒）内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～0.025V（对应于0～450oC温度范围），需要分辨的温度为0.1oC，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间是多少?解：对于0～450oC温度范围，信号电压为0～0.025V，分辨温度为0.1oC，这相当于1/4500的分辨率。12位A/D转换器的分辨率为1/4096，所以必须选用13位的A/D转换器。系统的取样速率为每秒16次，取样时间为62.5ms。对于这样慢速的取样，任何一个A/D转换器都可达到。可选用带有取样-保持（S/H）的逐次比较A/D转换器或不带S/H的双积分式A/D转换器均可。4.满刻度范围满刻度范围是指A/D所允许输入电压范围。如（0～5）V，（0～10）V，（-5～+5）V等。满刻度只是个名义值，实际的A/D转换器的最大输入值总比满刻度小1/2n（n为转换器的位数）。这是因为0值也是2n个转换器状态中的一个。例如12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际允许的最大输入电压值为:10V*212-1/212=9.9976VA/D转换器的种类常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。逐次逼近式A/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在1～100s之间，转换精度一般在0.1%上下，适用于一般场合。积分式A/D转换器速度较慢，其转换时间一般在ms级。适用于要求精度高，但转换速度较慢的仪器中使用。并行式又称闪烁式，采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，可用于医学图象处理等转换速度较快的仪器中。2.1.2逐次逼近式ADC逐次逼近式A/D原理概述N位的逐次逼近式A/D转换器（见下页图），由N位寄存器、N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器等五部分组成。工作原理：启动信号作用后，时钟信号先通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为1，以下各位为0，这个二进制代码经D/A转换器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半）送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UXU0，则保留这一位；若UXU0，则DN-1位置0。逻辑控制N位存储器输出缓冲器D/A转换器-+比较器时钟启动EOCOEUxUoURDo~DN-1A/D转换器实际转换过程已不重要目前，逐次逼近式A/D转换器大都做成单片集成电路的形式，因而A/D转换器的实际转换过程已不是非常重要。使用时只需发出A/D转换启动信号，然后在EOC端查知A/D转换过程结束后，取出数据即可。这类芯片有ADC0809、ADC1210、ADC7574、AD574、TLC549、MAX1241等是应用得最多的A/D转换器类型。ADC0809芯片及其接口ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D转换器。它能分时地对8路模拟量信号进行A/D转换，结果为8位二进制数据，结构如图2-5所示，它由三大部分组成：第一部分是:8路输入模拟量选择电路；第二部分是:一个逐次逼近式A/D转换器；第三部分是:三态输出缓冲锁存器。ADC0809主要特性主要特性1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100μs4）单个＋5V电源供电5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度7）低功耗，约15mW。ADC0809引脚功能ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START：A／D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC：A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一＋5V。GND：地。图2-5ADC0809原理结构图ADC0809原理结构图8路输入模拟量选择电路8路输入模拟量选择电路：8路输入模拟量信号分别接到IN0到IN7端，究竟选通哪一路去进行A/D转换由地址锁存器与译码器电路控制，见表2-1所示。A，B，C为输入地址选择线，地址信息由ALE的上升沿打入地址锁存器。ALECBA接通信号111111110000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7均不通表2-1ADC0809真值表ADC0809工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。逐次逼近式A/D转换器工作原理逐次逼近式A/D转换器的工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：顺序砝码重比较判断暂时结果18g8g13g保留8g28+4g12g13g保留12g38+4+2g14g13g撤消12g48+4+1g13g=13g保留13gA/D转换流程框图逐次逼近式A/D转换器START为启动信号，要求输入正脉冲信号，在上升沿复位内部逐次逼近寄存器，在下降沿启动A/D转换。EOC为转换结束标志位，“0”表示正在转换，“1”表示一次A/D转换的结束。CLOCK为外部时钟输入信号，时钟频率决定了A/D转换器的转换速率，ADC0809每一通道的转换约需（66～73）个时钟周期，当时钟频率取640KHz时，转换一次约需100s时间，这是ADC0809所能允许的最短转换时间。三态输出缓冲锁存器